CN104122562B - 多波段拉曼‑荧光激光雷达系统 - Google Patents

多波段拉曼‑荧光激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

多波段拉曼‑荧光激光雷达系统，包括激光发射系统、回波信号接收系统和信号采集系统，能同时探测多波段偏振米散射信号、氮气和水汽拉曼散射信号和32通道夜间大气荧光信号。激光发射系统可同时发射355nm、532nm和1064nm激光束；回波信号接收系统将回波信号分光、滤光得到355nm和532nm偏振米散射信号、607nm和660nm拉曼散射信号；信号采集系统与回波信号接收系统连接，采集355nm和532nm垂直和水平偏振米散射信号、607nm和660nm的氮气和水汽拉曼信号、32通道波长的夜间大气微弱荧光信号，并将32通道波长的夜间大气微弱荧光信号探测与355nm和532nm偏振米散射信号、607nm和660nm波段探测相结合用以探测研究生物气溶胶的时空分布特征和复杂成分，以及大气水汽时空分布和雾霾致癌成分及生消过程。

Description

多波段拉曼-荧光激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一种激光雷达系统，特别是涉及一种同时探测多波段多类型散射信号的激光雷达系统。
背景技术
激光雷达是一种获得大气垂直结构非常重要的探测手段。其硬件系统主要由激光发射系统、回波信号接收系统和数据采集系统三部分组成。从激光器发射出的准直激光束在大气中传输时，与大气颗粒发生相互作用，其中后向散射信号被回波信号接收系统接收，进而经过分光后由数据采集系统完成信号采集。根据激光束与不同大气颗粒的作用机制，以及激光雷达的探测内容，可以实现拥有不同功能的激光雷达系统。
生物气溶胶作为大气气溶胶中有生命活性的一个重要部分，其所含的成分相当复杂，主要包括细菌、真菌、病毒等微生物粒子，和花粉、孢子、动植物碎裂分解等具有生命活性的微小粒子。成分复杂、致病性大、传染性强、污染面积大。由于其具有生物性，一旦与人体组织或器官接触，便或多或少对人体健康造成影响。尤其是利用生物气溶胶造成的心理恐慌，特别用于国际战争或者恐怖组织中的生物武器。因此了解大气中生物气溶胶的时空分布和成分，有利于对生物气溶胶的不良影响采取相应的防范措施。近年来生物气溶胶作为科研难点和热点问题，其时空分布特征和复杂的成分已经受到国内外学者越来越多的关注。目前生物气溶胶的研究已经发展至垂直结构分布的研究水平。
雾霾的存在，在影响大气环境的同时还严重影响着人类的身体健康和生活品质。许多学者认为在满足一定条件的大气水汽和大气颗粒的情况下会产生雾霾，在一定条件下又会消散。针对雾霾的生消过程，现阶段还没有很好的给出满足水汽和大气颗粒条件的阈值，尤其是不同的地区，其阈值也会不同。且常规的激光雷达系统可以提供雾霾的时空分布变化特征和光学特性，但对其生消过程和成分的探测研究有很大的局限性。研究雾霾的生消过程，需要具备大气中水汽的时空变化特征，而要研究其中的致癌成分，需要掌握不同荧光质的光谱变化信息。
生物气溶胶和雾霾的探测手段有多种，其中激光雷达系统是探测生物气溶胶和雾霾的垂直结构分布及其物理光学特性的强有力装置。但是现阶段已有的激光雷达系统功能单一，普遍采用532nm的米散射信号，而将355nm和532nm两个波段结合的激光雷达系统的相关报道和文献稀少。且大部分的激光雷达系统只采用一种数据采集方式，即模拟信号或者光子信号。虽然模拟信号能够对激光雷达观测的近场信号有很好的线性关系，但是其对远场的微弱信号探测能力有限。尽管光子信号对远场的微弱信号有很好的敏感度，然而面对近场的强回波信号时容易饱和。单一的数据采集方式，局限了激光雷达接收回波信号的动态范围。利用licel瞬态记录仪同时以模拟和光子计数两种方式记录355nm、532nm垂直和水平偏振米散射信号，607nm、660nm的氮气和水汽拉曼信号等，都鲜有相关报道和文献。将32通道波长的夜间大气微弱荧光信号探测与355nm和532nm偏振米散射信号、607nm和660nm波段的探测相结合用以生物气溶胶和雾霾探测研究的激光雷达系统尚未见到相关报道。
长期以来，我国的激光雷达技术主要依赖于从国外进口，其昂贵的费用，后期维护的不便以及面临的核心技术封锁使得我国在激光雷达研制和应用领域受到了不同程度的制约。因此，针对生物气溶胶能够诱发荧光信号的特性、雾霾生消过程及其致癌成分荧光特性的研究热点。研制能够满足生物气溶胶浓度的时空分布和荧光特性，雾霾的时空分布、生消过程及其致癌成分探测需求的激光雷达系统显得迫在眉睫。将有力于提升我国在多波段多功能激光雷达系统研制方面的水平，为研究生物气溶胶和雾霾的物理光学特性、生物气溶胶与气候的相互作用、雾霾的生消过程等提供强有力的观测手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多波段拉曼-荧光激光雷达系统，将32通道波长的夜间大气微弱荧光信号探测与355nm和532nm偏振米散射信号、607nm和660nm波段的探测相结合用以探测研究生物气溶胶和雾霾，解决现阶段已有的激光雷达系统功能单一的问题。利用licel瞬态记录仪同时以模拟和光子计数两种方式记录355nm、532nm垂直和水平偏振米散射信号，及607nm、660nm的氮气和水汽拉曼信号，解决现阶段已有的激光雷达系统数据采集方式单一的问题。
为解决上述问题，本发明提供的多波段拉曼-荧光激光雷达系统，包括激光发射系统、回波信号接收系统和信号采集系统；激光发射系统同时发射不同频率的激光束；激光束经物体散射后，由回波信号接收系统接收；回波信号接收系统将接收到的散射激光信号进行处理，得到垂直和水平米散射信号、拉曼散射信号和荧光信号；回波信号接收系统将所得到的垂直和水平米散射信号、拉曼散射信号转换成电信号，并将该些电信号传输给信号采集系统，且由信号采集系统同时以模拟和光子计数两种方式记录后，进行存储；回波信号接收系统将荧光信号传输给信号采集系统；信号采集系统将接收到的荧光信号进行色散处理后，阵列测量不同波长的信号，由此完成荧光信号由光信号到电信号的转变和记录，并进行存储。
激光发射系统包括脉冲激光器、扩束准直器、第一带宽反射镜、第二带宽反射镜和第三带宽反射镜；脉冲激光器，用于通过对基波进行变频后输出不同波段的高能量脉冲激光束；扩束准直器，用于将入射激光束的光斑扩大，并进一步减小激光束的发散角；第一带宽反射镜、第二带宽反射镜和第三带宽反射镜，用于反射激光束，经过3次反射后，最终将激光束反射射出。
回波信号接收系统，包括望远镜、全反射镜、第一二色镜、第二二色镜、第三二色镜、第四二色镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片、第一偏振分光晶体、第二偏振分光晶体、凸透镜、光电倍增管、光纤；望远镜，用于接收散射回波信号；全反射镜，用于将望远镜接收到回波信号转变为水平方向传输；第一二色镜、第二二色镜、第三二色镜，用于根据不同的波段范围，反射一部分波段，透射另一部分波段；第四二色镜，对同一宽度的光谱信息，用于根据预定的能量比例进行反射和透射；第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片，均用于允许所需波段的光信号通过，过滤掉不需要波段的光信号；第一偏振分光晶体、第二偏振分光晶体，用于对回波光信号相应波段的偏振光信号进行检偏振处理，将总回波信号分为水平偏振和垂直偏振两个组分；第二凸透镜，用于将经第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片和第四窄带滤光片过滤后的光信号进行聚焦；光电倍增管，放置在第二凸透镜的焦点处，接收回波光信号，并将光信号转换为电信号；光纤，与精细光纤调整架配合，用于传输荧光信号。
信号采集系统，包括32通道光栅光谱仪、Licel瞬态记录仪，计算机；32通道光栅光谱仪，用于将经光纤传入的微弱荧光信号进行色散处理，然后由探测器阵列测量不同波长的信号强度，完成微弱荧光信号由光信号到电信号的转变；Licel瞬态记录仪，用于同时以模拟和光子计数的方式记录大气回波信号，实现近场强信号的模拟探测和远场弱信号的光子探测的有效融合，扩展了激光雷达系统对微弱信号的提取和大动态范围信号的探测；计算机，用于存储信号数据；32通道光栅光谱仪和Licel瞬态记录仪由光电探测器提供触发源。
回波信号接收系统2中，第三带宽反射镜、望远镜、小孔光阑、第一凸透镜和全反射镜同轴线依次设置；全反射镜反射面上入射光线的入射角为45°角；在全反射镜的反射光线方向上，由近至远，同轴线依次设置第一二色镜、第三二色镜、第四二色镜、第四窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管；第一二色镜、第三二色镜和第四二色镜的反射面上入射光线的入射角均为45°角，第一二色镜透射面和第三二色镜反射面相向，第三二色镜透射面和第四二色镜反射面相向；在第一二色镜的反射光线方向上由近至远，同轴线依次设置第二二色镜、精细光纤调整架；第二二色镜反射面上入射光线的入射角为45°角，且第一二色镜反射面与第二二色镜反射面相向；在第二二色镜的反射光线方向上由近至远，同轴线依次设置第一偏振分光晶体、第一窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管；在第一偏振分光晶体分出的垂直偏振光的方向上由近至远，同轴线依次设置第一窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管；在第三二色镜的反射光方向上，由近至远，同轴线依次设置第二偏振分光晶体、第二窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管；在第二偏振分光晶体分出的垂直偏振光的方向上由近至远，同轴线依次设置第二窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管；在第四二色镜反射光的方向上，由近至远，同轴线依次设置第三窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管。
32通道光栅光谱仪和Licel瞬态记录仪均经路由器与计算机相连；32通道光栅光谱仪，外接光纤，经光纤接收荧光信号；Licel瞬态记录仪与全部光电倍增管用导线连接；32通道光栅光谱仪和Licel瞬态记录仪分别经导线与放置在脉冲激光器前方的光电探测器连接，且由光电探测器对脉冲激光进行感应后为32通道光栅光谱仪和Licel瞬态记录仪提供触发源。
激光发射系统1各设备均在同一平面上；脉冲激光器、扩束准直器、第一带宽反射镜同轴线依次设置；扩束准直器的光线出射口与第一带宽反射镜的反射面相向，第一带宽反射镜的反射面上入射光线的入射角为45°角；在第一带宽反射镜反射光线的方向上设置第二带宽反射镜，第二带宽反射镜反射面上入射光线的入射角为45°角，且第二带宽反射镜反射面与第一带宽反射镜反射面相向；在第二带宽反射镜反射光的方向上设置第三带宽反射镜，第三带宽反射镜反射面上入射光线的入射角为45°角，且第三带宽反射镜反射面与第二带宽反射镜反射面相向。
回波信号接收系统中，望远镜，优选Celestron 11型施密特-卡塞格林望远镜系统，有效口径为380mm；与望远镜配合使用的小孔光阑选用4mm小孔光阑；第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片，分别采用355nm、532nm、607nm和660nm四种窄带滤光片；光电倍增管，优选Hamamastsu生产的H10720-110和H10720-220型端窗式的光电倍增管，根据具体所接收光谱的响应程度选用相应的型号；光纤，采用小口径光纤。32通道光栅光谱仪，优选Licel公司生产的Multispectral Lidar Detector(32通道光栅光谱仪)；Licel瞬态记录仪，优选德国Licel公司生产的TR40-160型模电/光子计数器，其特性为在高重复频率情况下，高时间分辨率和动态范围能够达到最佳状态。
脉冲激光器，优选Continuun Surelite I型Nd:YAG激光器，用于通过对1064nm的基波进行二倍频和三倍频后输出355nm、532nm和1064nm三个波段的高能量脉冲激光束，脉冲重复频率为20Hz；扩束准直器，优选BXUV-10.0-5X-355-532型伽利略式扩束准直器。
采用本发明多波段拉曼-荧光激光雷达系统后，由于本发明多波段拉曼-荧光激光雷达系统的发射系统采用二倍频晶体和三倍频晶体对基波进行变频，因此经变频后，能同时发射532nm、355nm和1064nm三个波段的高能量脉冲激光束；回波信号接收系统中，采用的偏振分光晶体将回波信号分为水平方向和垂直方向，并经355nm窄波滤光片的过滤，采集到355nm水平方向和垂直方向上的偏振米散射信号；采用的偏振分光晶体2将回波信号分为水平方向和垂直方向，并经532nm窄波滤光片的过滤，采集到532nm水平方向和垂直方向上的偏振米散射信号；355nm和532nm两个米散射偏振通道能够提供大气颗粒的退偏振比(垂直偏振信号与水平偏振信号的比值)和色比(532nm总回波信号与355nm总回波信号的比值)以及其他的物理光学特性；采用607nm和660nm窄波滤光片，分别对回波信号进行过滤，同时提取607nm、660nm的氮气和水汽拉曼散射信号；660nm波段(即水汽拉曼通道)的观测数据可以反演得到大气中水汽的垂直分布情况；采用32通道光栅光谱仪经光纤获取回波信号，可探测到32通道波长的夜间大气微弱荧光信号；采用的licel瞬态记录仪可同时以模拟和光子计数两种方式记录355nm、532nm垂直和水平偏振米散射信号，607nm、660nm的氮气和水汽拉曼信号；综上，本发明多波段拉曼-荧光激光雷达系统将32通道波长的夜间大气微弱荧光信号探测与355nm、532nm偏振米散射信号、607nm、660nm波段的探测相结合，从而将米散射偏振功能，拉曼散射功能和微弱荧光信号功能结合，对生物气溶胶时空分布特征和复杂成分进行探测研究，对大气中水汽的时空变化特征和雾霾的生消过程进行探测研究，对雾霾中不同荧光质的光谱变化信息和致癌成分进行探测研究。
下面结合附图对本发明的多波段拉曼-荧光激光雷达系统作进一步说明。
附图说明
图1为多波段拉曼-荧光激光雷达系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种多波段拉曼-荧光激光雷达系统，包括激光发射系统1、回波信号接收系统2和信号采集系统3；激光发射系统1同时发射355nm、532nm和1064nm波长的激光束；激光束与大气颗粒物相互作用，经散射后，由回波信号接收系统2接收；回波信号接收系统2对接收到的散射激光信号进行分光、滤光等处理，得到355nm和532nm波长的垂直米散射信号和水平米散射信号、607nm和660nm波长的拉曼散射信号和32通道波长的夜间大气微弱荧光信号；回波信号接收系统2将所得到的355nm和532nm的垂直和水平米散射信号、607nm和660nm的拉曼散射信号转换成电信号，并将该些电信号传输给信号采集系统3，且由信号采集系统3同时以模拟和光子计数两种方式记录后，进行存储；回波信号接收系统2将荧光信号传输给信号采集系统3；信号采集系统3将接收到的荧光信号进行色散处理后、阵列测量不同波长的信号，由此完成荧光信号由光信号到电信号的转变和记录，并进行存储。
激光发射系统1，包括脉冲激光器11、扩束准直器12、第一带宽反射镜13a、第二带宽反射镜13b和第三带宽反射镜13c；脉冲激光器11内安装二倍频晶体111和三倍频晶体112；
激光发射系统1中部分设备的优选型号及作用如下：
脉冲激光器11：采用Continuun Surelite I型Nd:YAG激光器。主要作用是通过对1064nm的基波进行二倍频和三倍频后输出532nm、355nm和1064nm三个波段的高能量脉冲激光束，脉冲重复频率为20Hz；
扩束准直器12：采用BXUV-10.0-5X-355-532型伽利略式扩束准直器。主要作用是可以将入射激光束的光斑扩大5倍，并进一步减小激光束的发散角；
第一带宽反射镜13a、第二带宽反射镜13b、第三带宽反射镜13c：主要作用为反射由扩束准直器12出射的激光束，经过3次反射后，最终将激光束反射至大气中。
激光发射系统1各设备之间的相对位置关系如下：
激光发射系统1各设备均在同一平面上；脉冲激光器11、扩束准直器12、第一带宽反射镜13a同轴线依次设置；扩束准直器12的光线出射口与第一带宽反射镜13a的反射面相向，第一带宽反射镜13a的反射面上入射光线的入射角为45°角；在第一带宽反射镜13a反射光线的方向上设置第二带宽反射镜13b，第二带宽反射镜13b反射面上入射光线的入射角为45°角，且第二带宽反射镜13b反射面与第一带宽反射镜13a反射面相向；在第二带宽反射镜13b反射光的方向上设置第三带宽反射镜13c，第三带宽反射镜13c反射面上入射光线的入射角为45°角，且第三带宽反射镜13c反射面与第二带宽反射镜13b反射面相向。
回波信号接收系统2，包括望远镜21、全反射镜22、第一二色镜23a、第二二色镜23b、第三二色镜23c、第四二色镜24、第一窄带滤光片25a、第二窄带滤光片25b、第三窄带滤光片25c、第四窄带滤光片25d、第一偏振分光晶体26a、第二偏振分光晶体26b、第二凸透镜27、光电倍增管28、光纤29；望远镜21包括小孔光阑211和第一凸透镜212，可根据具体需要选择不同型号的小孔光阑和第一凸透镜；
回波信号接收系统2中部分设备的优选型号及作用如下：
望远镜21：采用Celestron 11型施密特-卡塞格林望远镜系统。有效口径为380mm，主要作用是接收大气中的后向散射回波信号；
小孔光阑211：选用4mm小孔光阑；
第一凸透镜212：其作用是将望远镜21观测到的光转为平行光，焦距约为3cm；
全反射镜22：位于望远镜21的底端，主要作用是将望远镜21接收到的垂直方向传输的回波信号转变为水平方向传输；
第一二色镜23a、第二二色镜23b、第三二色镜23c：按照不同的波段范围，反射一部分波段的光信号，透射另一部分波段的光信号；
第四二色镜24：对同一宽度的光谱信息，按照一定的能量比例进行反射和透射；
第一窄带滤光片25a、第二窄带滤光片25b、第三窄带滤光片25c、第四窄带滤光片25d：分别采用355nm、532nm、607nm和660nm四种窄带滤光片。主要作用是分别允许上述四个波段的光信号通过，过滤其他波段的光信号；
第一偏振分光晶体26a、第二偏振分光晶体26b：主要作用是对回波光信号相应波段的偏振光信号进行检偏振处理，将总回波信号分为水平偏振和垂直偏振两个组分；
第二凸透镜27：采用小焦距的凸透镜，焦距约为3cm，主要作用是将窄带滤光片过滤后的光信号进行聚焦，以便透镜后方的光电探测器更有效的接收回波信号；
光电倍增管28：采用Hamamastsu生产的H10720-110和H10720-220型端窗式的光电倍增管，根据具体所接收光谱的响应程度选用相应的型号。主要作用是放置在凸透镜的焦点处，接收回波光信号，并将光信号转换为电信号；
光纤29：采用小口径光纤，主要作用是传输微弱荧光信号。
回波信号接收系统2各设备之间的相对位置关系如下：
回波信号接收系统2中，第三带宽反射镜13c、望远镜21、小孔光阑211、第一凸透镜212和全反射镜22同轴线依次设置；全反射镜22反射面上入射光线的入射角为45°角；在全反射镜22的反射光线方向上，由近至远，同轴线依次设置第一二色镜23a、第三二色镜23c、第四二色镜24、第四窄带滤光片25d、第二凸透镜27、光电倍增管28；第一二色镜23a、第三二色镜23c和第四二色镜24的反射面上入射光线的入射角均为45°角，第一二色镜23a透射面和第三二色镜23c反射面相向，第三二色镜23c透射面和第四二色镜24反射面相向；在第一二色镜23a的反射光线方向上由近至远，同轴线依次设置第二二色镜23b、精细光纤调整架291；第二二色镜23b反射面上入射光线的入射角为45°角，且第一二色镜23a反射面与第二二色镜23b反射面相向；在第二二色镜23b的反射光线方向上由近至远，同轴线依次设置第一偏振分光晶体26a、第一窄带滤光片25a、第二凸透镜27、光电倍增管28；在第一偏振分光晶体26a分出的垂直偏振光的方向上由近至远，同轴线依次设置第一窄带滤光片25a、第二凸透镜27、光电倍增管28；在第三二色镜23c的反射光方向上，由近至远，同轴线依次设置第二偏振分光晶体26b、第二窄带滤光片25b、第二凸透镜27、光电倍增管28；在第二偏振分光晶体26b分出的垂直偏振光的方向上由近至远，同轴线依次设置第二窄带滤光片25b、第二凸透镜27、光电倍增管28；在第四二色镜24反射光的方向上，由近至远，同轴线依次设置第三窄带滤光片25c、第二凸透镜27、光电倍增管28。
信号采集系统3，包括32通道光栅光谱仪31、Licel瞬态记录仪32和计算机33；
信号采集系统3中部分设备的优选型号及作用如下：
32通道光栅光谱仪31：采用由Licel公司生产的Multispectral Lidar Detector(32通道光栅光谱仪)。其作用是光纤将微弱荧光信号传输至该设备后，对光进行色散处理，然后由探测器阵列测量不同波长的信号强度，由此完成微弱荧光信号由光信号到电信号的转变；
Licel瞬态记录仪32：采用由德国Licel公司生产的TR40-160型模电/光子计数器，是一种专为激光雷达设计的探测计数器。其主要作用是在高重复频率情况下，高时间分辨率和动态范围能够达到最佳状态。能够同时用模拟探测和光子计数的方式记录大气回波信号，实现近场强信号的模拟探测和远场弱信号的光子探测的有效融合，极大的扩展了激光雷达系统对微弱信号的提取和大动态范围信号的探测。
信号采集系统3各设备之间的相对位置关系如下：
32通道光栅光谱仪31和Licel瞬态记录仪32均经路由器34与计算机33相连；32通道光栅光谱仪31，外接光纤29，经光纤29接收荧光信号；Licel瞬态记录仪32与全部光电倍增管28用导线2a3连接；32通道光栅光谱仪31和Licel瞬态记录仪32分别经导线2a3与放置在脉冲激光器11前方的光电探测器35连接，且由光电探测器35对脉冲激光进行感应后为32通道光栅光谱仪31和Licel瞬态记录仪32提供触发源。
本发明多波段拉曼-荧光激光雷达系统工作过程如下：
由脉冲激光器11发射出1064nm、532nm和355nm的激光束；激光束经过扩束准直器12后完成激光光斑的放大和光束的准直；由第一带宽反射镜13a、第二带宽反射镜13b和第三带宽反射镜13c依次对激光束进行反射，最终将激光束从望远镜21的正上方发射至大气。
激光束在大气里传输的过程中，与大气粒子相互作用，其中后向散射的回波信号被大口径望远镜21接收；汇聚后的光信号先经过小孔光阑211；然后被第一凸透镜212转为平行光；平行回波信号通过全反射镜22由垂直方向传输改变为水平方向传输的水平回波光信号；接着，对水平的回波光信号进行分光。水平的回波光信号首先被第一二色镜23a进行分光，大于520nm的波段被透射，小于520nm的波段被反射；第一二色镜23a反射部分的光信号经过第二二色镜23b时，将大于365nm的信号透射，小于365nm的信号进行反射；第二二色镜23b反射的信号再经过第一偏振分光晶体26a后，被分为355nm波段水平和垂直两个偏振方向信号，该水平和垂直两个偏振方向的信号分别通过第一窄带滤光片25a后由第二凸透镜27聚焦至光电倍增管28处；第二二色镜23b透射的信号经过第二凸透镜27聚焦后，将精细光纤调整架291上的小孔对准聚焦后的焦点处，让光信号进入光纤29，经光纤29导光后将微弱的大气荧光信号传输至32通道光栅光谱仪31中进行分光探测；第一二色镜23a透射的光信号继续传输至第三二色镜23c处进行分光，大于532nm的波段被透射，反射包括532nm在内的波段；第三二色镜23c反射部分的信号经第二偏振分光晶体26b后被分为水平和垂直方向的偏振组分，然后经过第二窄带滤光片25b后由第二凸透镜27聚焦至光电倍增管28；第三二色镜23c透射部分的光信号，经第四二色镜24后，按照1:1的能量比例进行透射和反射。透射部分经第四窄带滤光片25d后由第二凸透镜27聚焦至光电倍增管28；反射部分经第三窄带滤光片25c后由第二凸透镜27聚焦至光电倍增管28；经分光，完成了355nm波段垂直和水平偏振信号，532nm波段垂直和水平偏振信号，607nm和660nm的拉曼散射信号以及32通道大气微弱荧光信号的分光探测。
经光电倍增管28将光信号转换成电信号后，355nm波段垂直和水平米散射信号，532nm波段垂直和水平米散射信号，607nm和660nm拉曼散射信号的数据由Licel瞬态记录仪32按照预先设定好的对应通道以及空间和时间分辨率进行采样；微弱大气荧光信号经由32通道光栅光谱仪31按照实验设定的时间分辨率进行采样；最终通过路由器34将32通道光栅光谱仪31和Licel瞬态记录仪32的信号同时传输至计算机33，由计算机完成所有采集数据的存储。其中，Licel瞬态记录仪32和32通道光栅光谱仪31在采集数据时触发源，由放置在脉冲激光器前方的光电探测器35对脉冲激光进行感应后来提供。
使用本发明多波段拉曼-荧光激光雷达系统时，操作的步骤如下：
(1)对整个激光雷达系统暴露在外的光学镜片进行除尘；
(2)检查各个电源线连接处的电压是否符合仪器各部件的工作电压；
(3)接通电源后，仪器预热20-30分钟，期间检查激光雷达系统是否处于正常状态；
(4)打开稳压电源开关，Licel瞬态记录仪32开关，计算机开关，使外围设备预热并处于稳定工作的状态；
(5)参考说明书，检查脉冲激光器11电源附带的显示屏处显示的各个参数是否正常，并按照步骤操作脉冲激光器发射激光；
(6)打开计算机33上的数据采集软件，设置相应参数，并开始采集数据。
本发明多波段拉曼-荧光激光雷达的主要系统参数如下：
探测波段：355nm，532nm，607nm，660nm以及32通道光波长；
数据采集：同时采集模拟和光子两种信号；
垂直分辨率：3.75米；
时间分辨率：2分钟。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.多波段拉曼-荧光激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射系统(1)、回波信号接收系统(2)和信号采集系统(3)；激光发射系统(1)同时发射不同频率的激光束；激光束经物体散射后，由回波信号接收系统(2)接收；所述回波信号接收系统(2)对接收到的散射激光信号进行处理，得到垂直和水平的米散射信号、拉曼散射信号和荧光信号；回波信号接收系统(2)将所得到的垂直和水平米散射信号、拉曼散射信号转换成电信号，并传输给信号采集系统(3)，且由信号采集系统(3)同时以模拟和光子计数两种方式记录后，进行存储；回波信号接收系统(2)将荧光信号传输给信号采集系统(3)；信号采集系统(3)将接收到的荧光信号进行色散处理后、阵列测量不同波长的信号，由此完成荧光信号由光信号到电信号的转变和记录，并进行存储；
所述激光发射系统(1)包括脉冲激光器(11)、扩束准直器(12)、第一带宽反射镜(13a)、第二带宽反射镜(13b)和第三带宽反射镜(13c)；所述脉冲激光器(11)，用于通过对基波进行变频后输出不同波段的高能量脉冲激光束；所述扩束准直器(12)，用于将入射激光束的光斑扩大，并进一步减小激光束的发散角；所述第一带宽反射镜(13a)、第二带宽反射镜(13b)和第三带宽反射镜(13c)，用于反射激光束，经过3次反射后，最终将激光束反射射出；
所述回波信号接收系统(2)，包括望远镜(21)、全反射镜(22)、第一二色镜(23a)、第二二色镜(23b)、第三二色镜(23c)、第四二色镜(24)、第一窄带滤光片(25a)、第二窄带滤光片(25b)、第三窄带滤光片(25c)、第四窄带滤光片(25d)、第一偏振分光晶体(26a)、第二偏振分光晶体(26b)、第二凸透镜(27)、光电倍增管(28)、光纤(29)；所述望远镜(21)，用与接收散射回波信号；所述全反射镜(22)，用于将望远镜(21)接收到回波信号转变为水平方向传输；所述第一二色镜(23a)、第二二色镜(23b)、第三二色镜(23c)，用于根据不同的波段范围，反射一部分波段，透射另一部分波段；所述第四二色镜(24)，对同一宽度的光谱信息，用于根据预定的能量比例进行反射和透射；所述第一窄带滤光片(25a)、第二窄带滤光片(25b)、第三窄带滤光片(25c)、第四窄带滤光片(25d)，均用于允许所需波段的光信号通过，过滤掉不需要波段的光信号；所述第一偏振分光晶体(26a)、第二偏振分光晶体(26b)，用于对回波光信号相应波段的偏振光信号进行检偏振处理，将总回波信号分为水平偏振和垂直偏振两个组分；所述第二凸透镜(27)，用于将经第一窄带滤光片(25a)、第二窄带滤光片(25b)、第三窄带滤光片(25c)和第四窄带滤光片(25d)过滤后的光信号进行聚焦；所述光电倍增管(28)，放置在第二凸透镜(27)的焦点处，接收回波光信号，并将光信号转换为电信号；所述光纤(29)，与精细光纤调整架(291)配合，用于传输荧光信号；
所述信号采集系统(3)，包括32通道光栅光谱仪(31)、Licel瞬态记录仪(32)，计算机(33)；所述32通道光栅光谱仪(31)，用于将经光纤(29)传入的微弱荧光信号进行色散处理，然后由探测器阵列测量不同波长的信号强度，完成微弱荧光信号由光信号到电信号的转变；所述Licel瞬态记录仪(32)，用于同时以模拟和光子计数的方式记录大气回波信号，实现近场强信号的模拟探测和远场弱信号的光子探测的有效融合，扩展了激光雷达系统对微弱信号的提取和大动态范围信号的探测；所述计算机(33)用于存储信号数据；所述32通道光栅光谱仪(31)和Licel瞬态记录仪(32)由光电探测器(35)提供触发源。
2.根据权利要求1所述的多波段拉曼-荧光激光雷达系统，其特征在于，所述第三带宽反射镜(13c)、望远镜(21)、小孔光阑(211)、第一凸透镜(212)和全反射镜(22)同轴线依次设置；全反射镜(22)反射面上入射光线的入射角为45°角；在全反射镜(22)的反射光线方向上，由近至远，同轴线依次设置第一二色镜(23a)、第三二色镜(23c)、第四二色镜(24)、第四窄带滤光片(25d)、第二凸透镜(27)、光电倍增管(28)；第一二色镜(23a)、第三二色镜(23c)和第四二色镜(24)的反射面上入射光线的入射角均为45°角，且第一二色镜(23a)透射面和第三二色镜(23c)反射面相向，第三二色镜(23c)透射面和第四二色镜(24)反射面相向；在第一二色镜(23a)的反射光线方向上，由近至远，同轴线依次设置第二二色镜(23b)、精细光纤调整架(291)；第二二色镜(23b)反射面上入射光线的入射角为45°角，且第一二色镜(23a)反射面与第二二色镜(23b)反射面相向；在第二二色镜(23b)的反射光线方向上，由近至远，同轴线依次设置第一偏振分光晶体(26a)、第一窄带滤光片(25a)、第二凸透镜(27)、光电倍增管(28)；在第一偏振分光晶体(26a)分出的垂直偏振光的方向上，由近至远，同轴线依次设置第一窄带滤光片(25a)、第二凸透镜(27)、光电倍增管(28)；在第三二色镜(23c)的反射光方向上，由近至远，同轴线依次设置第二偏振分光晶体(26b)、第二窄带滤光片(25b)、第二凸透镜(27)、光电倍增管(28)；在第二偏振分光晶体(26b)分出的垂直偏振光的方向上，由近至远，同轴线依次设置第二窄带滤光片(25b)、第二凸透镜(27)、光电倍增管(28)；在第四二色镜(24)反射光的方向上，由近至远，同轴线依次设置第三窄带滤光片(25c)、第二凸透镜(27)、光电倍增管(28)。
3.根据权利要求2所述的多波段拉曼-荧光激光雷达系统，其特征在于，所述32通道光栅光谱仪(31)和Licel瞬态记录仪(32)均经路由器(34)与计算机(33)相连；所述32通道光栅光谱仪(31)，外接光纤(29)，经光纤(29)接收荧光信号；所述Licel瞬态记录仪(32)与全部光电倍增管(28)用导线(2a3)连接；所述32通道光栅光谱仪(31)和Licel瞬态记录仪(32)分别经导线(2a3)与放置在脉冲激光器(11)前方的光电探测器(35)连接，且由光电探测器(35)对脉冲激光进行感应后为32通道光栅光谱仪(31)和Licel瞬态记录仪(32)提供触发源。
4.根据权利要求3所述的多波段拉曼-荧光激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射系统(1)各设备均在同一平面上；所述脉冲激光器(11)、扩束准直器(12)、第一带宽反射镜(13a)同轴线依次设置；所述扩束准直器(12)的光线出射口与第一带宽反射镜(13a)的反射面相向，第一带宽反射镜(13a)的反射面上入射光线的入射角为45°角；在第一带宽反射镜(13a)反射光线的方向上设置第二带宽反射镜(13b)，第二带宽反射镜(13b)反射面上入射光线的入射角为45°角，且第二带宽反射镜(13b)反射面与第一带宽反射镜(13a)反射面相向；在第二带宽反射镜(13b)反射光的方向上设置第三带宽反射镜(13c)，第三带宽反射镜(13c)反射面上入射光线的入射角为45°角，且第三带宽反射镜(13c)反射面与第二带宽反射镜(13b)反射面相向。
5.根据权利要求4所述的多波段拉曼-荧光激光雷达系统，其特征在于，所述回波信号接收系统(2)中，所述望远镜(21)，采用Celestron 11型施密特-卡塞格林望远镜系统，有效口径为380mm；与望远镜(21)配合使用的小孔光阑选用4mm小孔光阑；所述第一窄带滤光片(25a)、第二窄带滤光片(25b)、第三窄带滤光片(25c)、第四窄带滤光片(25d)，分别采用355nm、532nm、607nm和660nm四种窄带滤光片；所述光电倍增管(28)，采用Hamamastsu生产的H10720-110和H10720-220型端窗式的光电倍增管，根据具体所接收光谱的响应程度选用相应的型号；所述光纤(29)，采用小口径光纤。
6.根据权利要求5所述的多波段拉曼-荧光激光雷达系统，其特征在于，所述信号采集系统(3)中所述32通道光栅光谱仪(31)，采用Licel公司生产的Multispectral LidarDetector，其为32通道光栅光谱仪；所述Licel瞬态记录仪(32)，采用德国Licel公司生产的TR40-160型模电/光子计数器，其特性为在高重复频率情况下，高时间分辨率和动态范围能够达到最佳状态。
7.根据权利要求6所述的多波段拉曼-荧光激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射系统(1)中所述脉冲激光器(11)，采用Continuun Surelite I型Nd:YAG激光器，用于通过对1064nm的基波进行二倍频和三倍频后输出355nm、532nm和1064nm三个波段的高能量脉冲激光束，脉冲重复频率为20Hz；所述扩束准直器(12)，采用BXUV-10.0-5X-355-532型伽利略式扩束准直器。
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